脈沖型流量傳感器檢定儀的設計和應用

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2907

    傳統(tǒng)的脈沖型流量傳感器儀表系數(shù)的檢定一般由容積式流量標準裝置和計數(shù)器、計時器完成，如圖1所示。其儀表系數(shù)定義為單位體積的流體量通過流量傳感器時傳感器所發(fā)出的脈沖數(shù)，單位通常為1L（脈沖數(shù)每升）或1m3（脈沖數(shù)每立方米）。根據(jù)文獻[1]的規(guī)定，為了保證流量計儀表系數(shù)的有效性，一般應保證一次檢定中流量計輸出的脈沖數(shù)的相對誤差絕對值不大于被檢流量計重復性的13。由于一般計數(shù)器的計數(shù)誤差為±1個脈沖，所以在檢定時間間隔（圖1中兩控制脈沖間的時間t）內，計數(shù)器應收集足夠多的脈沖數(shù)N才能達到要求的檢定精度。


圖1 儀表系數(shù)標定圖

    對于一些大口徑流量傳感器，由于其儀表系數(shù)一般較小（如200的渦輪流量計，其儀表系數(shù)僅為1.5/L；  口徑的渦街流量計，其儀表系數(shù)更低，僅為約0.2/L）。對于這樣的流量計，要收集足夠多的脈沖數(shù)，一要花很長的檢定時間，二要有較大的檢定設備（較大的標準容器）。由于種種限制，總使計數(shù)脈沖達不到要求。雙時間法計數(shù)技術是目前國際上較為通用的脈沖插值技術，可以在較短的檢定時間內，用較小體積的檢定設備，在計數(shù)總脈沖數(shù)較小時仍能保證足夠的技術精度的一種脈沖插值技術，較早應用于微型體積管流量標準裝置。

    我們研制的“脈沖型流量傳感器檢定儀”是用傳統(tǒng)的計數(shù)器加上雙時間法測量控制技術組成的雙時間法檢定儀。試驗表明，該檢定儀使用方便可靠，可以縮短檢定時間，用較小的標準容器檢定較大口徑的流量傳感器，并且比常規(guī)檢定方法具有更高的技術精度。

    1、雙時間法計數(shù)器原理

    脈沖內插技術是活塞校驗裝置增加流量計的輸出信號分辨率，從而減小校驗裝置體積的一個有效途徑。通常，校驗流量計時為了得到足夠的脈沖數(shù)，可以采取兩個途徑，一是提高流量計的輸出信號分辨率，使有限的校驗時間內得到盡可能多的脈沖數(shù)；二是增加校驗裝置的計量有效容積。一般，單位體積流體通過流量計所輸出的脈沖數(shù)是有限的（如上述的渦輪流量計和渦街流量計），校驗裝置的計量有效容積也不可能做得很大。脈沖內插技術很好地解決了這個問題，它有雙時間法、四時間法和鎖相環(huán)回路法等幾種方法可供使用。使活塞校驗裝置用一個“小容積”（裝置有效容積）采集500個脈沖就能達到大容積校驗裝置采集10000個脈沖相同的精確度。


圖2 雙時間法

    雙時間法的原理如圖2a所示。在流量脈沖信號周期穩(wěn)定的條件下，脈沖內插數(shù)為

（1） 

    式中：N為計數(shù)器記錄下的流量傳感器信號脈沖數(shù)；N1為經(jīng)雙時間法或四時間法內插后的脈沖數(shù)；Δt1為從檢測開始信號到檢測停止信號的時間間隔；Δt1為從檢測開始信號后第一個脈沖上升沿到檢測停止信號后第一個脈沖上升沿之間整脈沖周期時間間隔。 

    

    在流量標準裝置穩(wěn)定性符合標準規(guī)程規(guī)定的情況下，流量脈沖信號周期可以認為是穩(wěn)定的，所以用式（1）得到的脈沖內插數(shù)應該是有效的。

    除了雙時間法外，還可以用四時間法來確定脈沖內插數(shù)。四時間法測量4個時間t1～t4，如圖2b所示，其脈沖插數(shù)為

N1=N＋（2）

    本文以雙時間法為例設計脈沖型流量傳感器檢定儀。

    2、檢定儀的硬件設計

    脈沖型流量傳感器檢定儀的硬件原理框圖如圖3所示。


圖3 雙時間法流量檢定儀硬件原理框圖

   該檢定儀不采用微處理機，工作可靠性好�？刂菩盘柨梢杂脝蔚峨p擲開關K1選擇很窄的脈沖信號，也可以選擇電平信號。當用電平信號控制時，又可以用開關K2選擇高電平控制或低電平控制。

    當控制信號為脈沖信號時（圖3中第一種控制信號），開關K1選擇脈沖控制，設初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為低電平L（假設輸出高電平H也沒有關系），端輸出高電平H反饋到D端。開關K2選擇高電平控制或低電平控制。

    當控制信號為脈沖信號時（圖3中第一種控制信號），開關K1選擇脈沖控制，設初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為低電平L（假設輸出高電平H也沒有關系），端輸出高電平H反饋到D端。開關K2選擇高電平控制（如果初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為高電平H時，K2可選擇低電平控制），與非門B、C的輸入端及觸發(fā)器TR2的D端均為低電平，所以，B、C門關閉，觸發(fā)器TR2的Q端輸出在流量脈沖信號的作用下也必定為低電平，E門關閉。計數(shù)器和計時器T1與T2都在停止狀態(tài)。用清零按鈕可以使計數(shù)器和計時器回復到初始零態(tài)，顯示全零。

    當“開始計數(shù)”控制信號脈沖（第一個控制脈沖）到來時，由于TR1的D端為高電平H，所以，控制脈沖觸發(fā)TR1使其Q端輸出為高電平H，并立即打開與非門B和C使計數(shù)器和計時器T1開始計數(shù)和計時。此時與非門E尚未打開，但觸發(fā)器TR2的D端已為高電平，在控制信號前沿后的第一個流量信號上升沿觸發(fā)TR2，使其Q端輸出高電平而打開與非門E，計時器T2也開始計時。

    當“停止計數(shù)”控制信號脈沖（第二個控制脈沖）到來時，TR1再次被觸發(fā)而使Q端輸出低電平L，從而立即關閉與非門B和C，使計數(shù)器和計時器T1停止計數(shù)和計時。但與非門E并未立即關閉，而要到“停止計數(shù)”控制信號脈沖前沿后的第一個流量信號上升沿才能觸發(fā)TR2而輸出低電平L，關閉與非門E而使計時器T2停止計時。將從計時器T1和T2得到的數(shù)據(jù)代入式（1），就可得到比較準確的脈沖內插數(shù)。

    當控制信號為電平信號時（圖3中第二、三種控制信號），開關K1選擇電平控制，這樣就相當于跨過觸發(fā)器TR1而直接控制與非門B和C及觸發(fā)器TR2的D端。分別針對高電平起作用或低電平起作用選擇開關K2指向高電平控制或低電平控制。其余的動作與脈沖控制完全一樣。

    3、指標和結果

    3.1 檢定儀指標

    除了上述作為可控計數(shù)器和計時器外，該檢定儀還具有測量信號頻率和周期的功能。不用于檢定流量計時，可單獨作為測量信號頻率或周期的儀表使用。

    具體指標如下：

    ① 計時器，6位LED顯示，分辨率為1ms；

    ② 計時器（包括頻率和周期），8位LED顯示，最高分辨率為頻率為1Hz，周期為0.1μs，計數(shù)為±1個脈沖；

    ③ 測量范圍：頻率為10Hz～100MHz，周期為0.5μs～10s，計數(shù)容量為99 999 999，計時器為1ms～999.999s；

    ④ T1和T2手動切換顯示。

    3.2 測試結果

    ① 用51系列微處理機輸出周期方波信號作為標準校驗頻率和周期測量，結果列于表1。

表1 用周期方波作為標準的校驗結果


   ② 用標準頻率信號發(fā)生儀校驗，結果列于表2。

表2 用標準頻率信號發(fā)生器校驗的結果


③ 該檢定儀用于渦輪流量計儀表系數(shù)的檢定，取得了良好的結果。

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